復水管における熱伝達 (第1報) : 水平復水管につ
いて
著者
田中 義弘, 玉利 賢一
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
2
ページ
63-70
別言語のタイトル
HEAT TRANSFER COEFFICIENTS OF CONDENSER TUBES
(REPORT 1) : ON A HORIZONTAL CONDENSER TUBE
URL
http://hdl.handle.net/10232/10632
復水管における熱伝達 (第1報) : 水平復水管につ
いて
著者
田中 義弘, 玉利 賢一
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
2
ページ
63-70
別言語のタイトル
HEAT TRANSFER COEFFICIENTS OF CONDENSER TUBES
(REPORT 1) : ON A HORIZONTAL CONDENSER TUBE
URL
http://hdl.handle.net/10232/00004490
復 水 管 に お け る 熱 伝 達 ( 第 1 報 )
( 水 平 復 水 管 に つ い て )
田 中 義 弘 * ・ 玉 利 賢 一 *
HEATTRANSFERCOEFFICmNTSOFCONDENSER rUBES(REPORT1)(ONAHORIZONTALCONDENSERTUBE)
YoshihiroTANAKA,MasakazuTAMARIF
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andofMcAdams,sdatainregardtotheinclinationofthecurves・ ReceivedMay31,1962. 1 . 緒 言管内に冷却水を流し,管外の蒸気の熱を取り去って
管外表面に蒸気を凝結させるいわゆの復水管について
の研究は早くから数多く行なわれており,この際凝結
水が膜状になるばあいと滴状になるばあいとがおこる
ことが知られている.膜状凝結についてはNusseltl),
Schmidt2),Sparraw3)4),Grigull5)等が研究し,膜状凝
結状態の理論的解析や熱伝達係数の実験式などを提示
している.また滴状凝結についてはGnam6),菅原外
7),岐美8)によって研究され,滴の形成や滴の滴下の周
期,熱伝達係数などについて一応の研究がなされてい
る.しかしながら,いまだこれらの実験資料はわづか
であって,なかでも復水管が水平,垂直,傾斜してい
るばあいの凝結の良否についての系統的研究はあまり
されていない.特に滴状凝結現象については熱伝達の
機構も,熱伝達係数の一般的整理法もいまだほとんど
未開拓の状態である.本研究は復水管の水平,垂直または傾斜の度合とそ
の蒸気側熱伝達係数の変化,特に滴状凝結時と膜状凝
結時とを系統的に比較し,復水器計画の基礎資料を明
準 織 械 工 学 教 室らかにする目的ではじめたもので,ここにその第1報
として水平復水管についての一実験結果を報告する.
2.実験装置および方法実験条件をできるだけ簡単化するため蒸気箱中央に
1本の復水管をもった単純な復水器を使用した.蒸気
箱内の蒸気圧は大気圧よりわずかに高くし,またその
温度はその圧力の飽和温度よりわづかに高い値に過熱
し,乾き度100%の蒸気状態に保った.また蒸気室内
の蒸気の流動はできるだけ小さくなるようにつとめ,
静止蒸気と見なして実験をすすめた.第1図が実験装置の全体図である.B:竪型ボイラ
ー,S:復水器木体,C:復水器,WT:冷却水タンク
(水頭が一定になるように溢流ロを付けてある).
復水器の詳細寸法は第2図に示すとおりで,正面は
ガラス張りとし,内部の状況を外から直視することも,写真に撮ることもできる.蒸気は復水器上部の三
つの流入孔からとり入れ,その出口には邪魔板Dを設
けて復水器内の蒸気温度ができるだけ一ようになるよ うに,また蒸気流が復水管に速度をもって吹きつけら れないようにした.器中の蒸気温度の一よう'性はrs1, rs2,rs3なる3本のアルコール寒暖計によって見当づけ_hくり−−1−「リ三三三三雫
鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 . 告 第 2 号二=│=全
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64 一「
第 1 図 る.復水管は全長1150mm,復水器内部で蒸気にされる部分の長さが900mm,その中央付近の試験部分の
長さが480mm,管外径は16mm,内径は13mmの黄銅管である.試験部分の凝結水を採集し,その量お
よび温度を測定するため図中のEでしめす樋を使用し
た.この樋はi隔約30mm,断面の形は逆八字形のブリキ製で,復水管の垂直下方約30mmのところに管と
約5。の傾きでとりつけてある.両端面は復水管にと
りつけるためと試験復水管部を区切るための仕切板に
なっており,間に熱絶縁材としてゴム環をはさんで復 水管にとりつけた.凝結液の温度はrcなる銅一コンス 認 P-Ⅱ
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た.蒸気の精密な温度としてはあらかじめ検定ずみの ベックマン温度計の読みを採用した.これで0.001度 まで読むことができる.復水器内の蒸気圧力はPSな る水柱マノメータによって測定した.これは常に大気 圧以上4∼6mmH20とした.蒸気温度はこの状態の 飽和温度より0.3∼0.5℃過熱した状態であるが,過熱 するには復水器にはいる蒸気管を外側からガスコンロ で熱する方法でおこなった.かくして完全な乾き蒸気 としてそのエンタルピーを正確に求めることができ る. 第3図は復水管および凝結水受け器の詳細図であ話
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= 手 第 2 図鞍
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S田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報)
65〃
第 3 図 第 4 図 タンタン熱電対により測定した.復水量はMなるメ スビューレットと秒時計とにより容積を求めて算出し た. 第4図に復水管表面温度測定用の銅-コンスタンタ ン熱電対のとりつけ要領をしめした.とりつけ位置は 管軸に平行な一直線上の3点で,その関係は図にしめ した.とりつけ点からのリード線の引き出し方は管周 囲に沿って接線方向とし,導線よりの放熱や,導線に 付着した凝結水によって温度測定値や,凝結水量が影 響をうけないように十分注意した.実験は熱電対位置 を管中心を含む垂直面内においておこなった.冷却水 の出入口温度の測定は復水管中心に沿ってアルミニウ ム保護管に挿入した熱電対により測定した.熱電対先 端位置は丁度試験部分の端の管断面中心部とし,正確 に中心に支持するために針金の支柱を管内に入れた. この測定点は丁度凝結水採集用樋の取付部中心とも一 致する.熱電対の指示はすべて横河電機製作所製の P-1型精密級直流電位差計および検流計によって精密 に測定した. 冷却水は高さ約2mのWTタンクから復水管内に 流した.管内流速の変更は出口のコックKの調節によ り,測定した流速範囲は0.15m/s∼0.78m/sで,こ れは冷却水量にして20cC/S∼100cC/Sに相当する. 冷却水量の測定は計量槽(メスシリンダ)Nと秒時計 によった. 復水管表面の凝結状態が膜状凝結になるか滴状凝結 になるかは蒸気の純度(主として空気含有率),水の表 面張力,伝熱面の熱負荷,表面状態など複雑な要素に 左右され,そのいづれかの凝結状態になぜなるかの理論的解析も十分明らかにされていないのが実状で,筆
者らは結局経験的資料にもとづいて次のような方法で それぞれの凝結状態を実現して実験した.すなわち膜 状凝結をうるためには,管表面を05のエメリーペー パーでよく研磨し,さらに稀塩酸で洗い,さらにその 後を完全に水で洗って後,苛性加里の水溶液をうすく 塗布した.また滴状凝結をうるためには前者と同よう に水洗いまでは同じで後表面にオレイン酸を一面にう すく塗布した.これによってえられた凝結状態の写真 が第5図(a),(b)である.以上の方法でうまくゆく と2∼3時間は同一の凝結状態を保つことができた が,しかしながらなかなか希望の凝結状態をえられな いこともありいく度か繰りかえした.なぜ凝結状態が 違うかという点についてはさらに物性論的な研究が必 要であろう.実験は蒸気条件,表面の凝結様式を同じ にして冷却水量を変えたときの諸数値を測定する方法 によりすすめた. 3.実験結果の整理法 復水器内の蒸気条件は圧力PS,温度TBで代表させ た.この際アルコール寒暖計tS1∼tS3の測度差はほと90 66 24 −陽特長c河
嘩勿・
○ 0 J 。.営直撫埋fl 第 7 ( a ) 膜 状 凝 結 一 器 C77L (b)滴 第 んどみとめられない程度であった.符表面温度分布の 膜状凝結,滴状凝結のばあいの例が第6,第7図で, 状 凝 結 5 図 これを試験区間にわたる曲線にして,その面砿積分値 を試験区間長さで割ったものをもって智壁平均表面温 度とした. 蒸気が復水管にあたえた熱堂は蒸気のもつエンタル ピーと復水のエンタルピーとの差であるべきであり, これはまた冷却水の受けとった熱量にひとしいはずで ある.測定の結果は復水のエンタルピーから算出した 熱量が少なく,冷却水のエンタルピーが高いめの値で あることが明らかとなった.これは凝結水が蒸気中に さらされている樋によって集められて後温度を測るた め,その温度測定までの間に再加熱がおこなわれてい ると見られ,これはこの種の実験では除きがたい誤差 である.よって冷却水の受熱量をより正確な蒸気の放熱量であるとみて以下の検討をすすめた.なお検討中
に使用した物,性値として蒸気の蒸発瀦熱,比熱,水の 熱導率は参考文献の(9),(10),(11)により各々の値 を採用した. ノ00 45 90 24 管.長郵加
u・皇国信雫群→I煙”.
。.欝直撫埋fl 43 3 45 0 3 2 千 と 巧 一→管長… 第 60図伽
鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 2 号 ノ 0 3 2 4 − 管 長 に 礼 図 ■ 9215酔卯
騨樫穏庖噸迩→I 0 9 “幽謂層韻迦十I 』 4 . 結 果 の 検 討 1 ) 復 水 逓 に つ い て 冷却水平均流速0.15m/sから0.75m/sまでの間を5段階に変えて復水量の変化を測定したのが第8図
である.膜状,滴状いづれの凝結状態でも冷却水流速 の増加とともに復水量は増加している.その増加の傾 /l
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岨 田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報) 差が大きく,このため伝熱量が大きく復水量も大きい のである. 2)蒸気側管壁温度について
第9図が蒸気側管壁温度変化で,膜状凝結,滴状凝
結ともに冷却水流速の増加とともに低下している.両
者の傾向はほとんど平行で,その差は約1°Cである.
流速に対する蒸気と管壁との温度差に書きあらためる
と第10図であり,流速の増加とともに4rは増大す
るが,これも流速の大きいところではしだいになだらかとなりフラットになってゆく.これは管表面にでき
る液膜または液滴の層が復水量の増大とともに厚くな
ってゆくが,むやみに厚くはならずある厚みにおちつ
いてゆくためであろう. 3)熱負荷について伝熱面を通過した熱量Qを伝熱面積で割った値を
単位面積あたりの熱負荷とみて,蒸気と管表面温度と
の差4rに対しプロットしたのが第11図である・こ
こにQは冷却水の受熱量を用いた.図にみるごとく
温度差とともに熱負荷も上昇する.滴状凝結のばあい
はほとんど直線的に上昇し,膜状凝結のばあいは上昇
がなだらかな曲線をえがく.これからみて滴状凝結の
方が著しく伝達がい良ことが察せられる.
4)蒸気側熱伝達係数について 第 1 表 q』 1J 、 》 q u 滴 状 凝 結 Q D 膜 状 凝 結 Q r gD/QF 、 グ 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 2 0 . 3 C l 4 0 . 5 −〉禽却71〈速度’7?蛤 冷 却 水 速 度 、 / s 復 水 量 cC/S 。一涌状凝結 ×−1習uノミ凝結 結 。 801 0 0 , ノ 0 . 2 1 0 . 4 1 0 6 1 0 . 8 24 70 00。 第 9 図 0,ノ020.3Cl40.50,60.70.8 −〉禽却71〈速度’7?蛤 2.630 2.165 1.21印如5
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2.175 1.835 1.18 1‘075 0.975 1.10 9 腿鳴棚蝉軍嘱漉→I 22 20 80+ 0斗二差七
67 ∼ 0 j2 箪騨︲ 畔 12 /00 同 【 ヶ 061 O C M C L 2 C B O 4 0 , 5 0 . 6 a 7 q 8 −y等dlZ7kjさ度尭 第 8 図向ははじめは急で,流速の大きいところでは上昇はし
だいになだらかとなる.復水量が増加することは水の
蒸発潜熱にくらべて感熱は小さいから,復水温度の多
少の高低を無視して考えると放熱量が多くなることを
あらわしている.よって流速とともに放熱量は増大す
るが,流速が大きくなると放熱量の増大の度合は少な
くなる.膜状臓結と滴状凝結をくらべると,浦状凝結
の方が復水量が多く,その量は第1表のごとくやく
1.1∼1.2倍であった.これは膜状凝結では蒸気と伝熱
面とが凝結水膜を通して接するため,伝熱が悪く,滴
状凝結のばあいは距視的には滴と滴との間に蒸気と伝
熱面と直接接触する部分があり,この点の両者の温度
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°調状凝結 ×膜状擬姥】
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量 26”0 つ 汀 ハ ノ 湖 0 2 ︵﹃、⑦︶鞄画羅 』』 2000;
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22741 15024 1.5101
、 αD/α'i'=1.5∼1.9におよぶことがわかった.ただし αDは滴状凝結,αFは膜状凝結のときの熱伝達係数 である.そうしてその比は流速の大きい範囲ほど大き 蒸気から伝熱面への熱伝達係数αKca]/m2h°Cを 冷却水流速に対して求めたのが第12図および第2表 である.流速とともにαは低下してゆくが流速が早 くなるとしだいに一定値に近づいてゆく.第8図と併 せてみると復水量が増大すると熱伝達係数は悪くなっ ていくことになる.これは復水が多くなるにつれて表 面の液層が伝熱を害する結果'3)'4)'5)であろう.膜状凝 結と滴状凝結とをくらべてみると明らかに滴状凝結の 方が熱伝達がよい.これは従来諸家')2)が表明してい ることであるが,吾々の実験結果からはその程度は 68『
鋤
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芥
2 牛 6 8 / 0 ノ 2 ノ 4 / 6 ノ 8 2 0 − 温 度 差 ( 4 わ ℃ 第 1 1 図 0 〃 β 0 2 0 4 1 3 0 ‘ “ q 5 0 0 6 0 0 7 0 q 8 0 −→為奇引く蓮J斑,髭 第 1 2 図 第 2 表 26694 17703 1.508 滴 状 凝 結 α D 膜 状 凝 結 α F aD/aF 20209 10609 1.892 冷 却 水 速 度 m / s 熱 伝 達 係 数 Kcal/m2hPC 21117 12369 1.7080.1510.30104510.6010.75
20569 10673 1.93 ' 2 0 4 1 3 0 “ 0 q 5 0 D 6 0 0 7 0 C l 師 11
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x-R麺X・凝緒田中・玉利:復水管における熱伝達(第1報) 69 l l l I I l 3““ 状凝結についてMcAdamsl5)は1気圧の蒸気につい て実験しており,その結果を図中にしめしたが恥直 線(膜状凝結)とほとんど同じ傾向の傾きである.た だし両者は重ならず,筆者らの実測値がやく1.4倍大 きかったが,この点はMcAdamsの測定条件の詳細 が明らかでないため明確な批判はここではできない. Nusse1t1)は同じく膜状凝結に関して水平,垂直管 の間の熱伝達係数の関係式を理論的にみちびき,つぎ のように与えている.
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を与えている.ただし r§:蒸気温度。c, rw:管壁平均温度℃. (2)式を(1)式に代入すると4
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となる.この式は熱伝達係数を温度のみの関数として あらわした式で,筆者らの実験結果を代入して計算し てみると第3表となり,その値をプロットしたのが第 14図中の“NuSselt式より,’としるした線である.実 測結果のF線と傾きがいくらか逸うが絶対値はほぼ 一致した. 浦状凝結に対してはいまだ見るべき実験値や計算式 100.33 茎へま3エ以蕊廟導輔411 、、
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-20000 耐、 六、 、 、 煮 、 、く へ ミヘユ 70000 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 6 -挙温震整いjboc 第 1 3 図 100.06︾迦迦“皿抑、岬“
呈追琶逗編嵯判型蕪→I 、I 484 411 339 293 291 ノ 2 4 6 8 〃 2 1 “ 6 0 8 0 ノ ” →温度差(』if)℃ 第 1 4 図 くなる. 4r-aの関係図が第13図であるが,』rがますほど α は 低 下 し て ゆ き α D が α F よ り も は る か に 大 き い 傾向も同ようである. log4r−logaの関係をあらわすと第14図のように 右下りの直線的関係になる.図中D,Fは筆者らが求 めた滴状凝結および膜状凝結時のαの値である.膜 滴状凝結 26694 22741 21117 20569 20209 第 3 表 3.63 7.73 10.83 13.03 15.03 50063 ●。。■色 707房35 33222 13467 50505 ●●も◆◆ 00000 05647 ●■■●■ 09285 75544 76555 32765 02834 冷 却 水 速 度 、/s 蒸 汽 温 度 oC 膜状凝結 4.66 8.56 1156 14.06 15.86 ヌ セ ル ト 数 ノVhm 17703 15024 12369 10673 10609 50505 13467 ①●●巳■ 00000 34.0 25.0 22.8 22.0 21.6 15154 12906 11890 11260 10879 61.5 46.8 38.6 34.7 33.0 、p o新状』詫鑑 x噸欽ソ疑締 ×−鯉:臓梶鮪 。-“狂羅罰−−卜
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